وی در قالب سمت‌های مختلف به ایران خدمت کرده است. او تدریس در رشته فیزیک هسته‌ای دانشگاه امام حسین(ع)، عضویت در سپاه پاسداران انقلاب اسلامی و در نهایت ریاست سازمان پژوهش و نوآوری وزارت دفاع را در کارنامه کاری خود دارد.
نام وی را می‌توان در لیست ۵۰۰ فرد قدرتمند جهان که توسط نشریه آمریکایی فارن پالیسی منتشر شده در کنار اسم ۴ ایرانی دیگر، مقام معظم رهبری، رستم قاسمی (وزیر نفت) ، سردار جعفری ( فرمانده سپاه) و حیدرمصلحی (وزیر اطلاعات) مشاهده کرد. حضور در این لیست، اهمیت جایگاه این شهید را نشان می‌دهد.آمریکایی‌ها به علت نقشی که در توان هسته‌ای داشت، او را صندوقچه اسرار برنامه هسته‌ای ایران نامیدند.
آژانس بین المللی بیان کرد که فقط در صورت گفت‌وگوی مستقیم با او می‌توان به میزان پیشرفت ایران در دانش هسته‌ای پی برد. در تاریخ ۲۴ مارس ۲۰۰۷ او به عنوان دانشمند ارشد وزارت دفاع و رئیس پیشین مرکز تحقیقاتی فیزیک ( PHRC ) توسط شورای امنیت سازمان ملل و با ادعای دخالت وی در برنامه هسته‌ای در فهرست تحریم قرار گرفت.
منابع غرب با ادعای انحراف برنامه هسته‌ای ایران به سمت ساخت سلاح، او را با اوپنهایمر(سازنده بمب اتم آمریکا) و عبدالقدیرخان(پدر هسته‌ای پاکستان) مقایسه کردند و وی را پدر برنامه هسته‌ای ایران لقب دادند. هدف از این کار، معرفی وی به عنوان مسئول ساخت سلاح هسته‌ای بود.
J
از سوی دیگر، در نشریه انگلیسی ساندی تایمز، در فروردین سال۸۷ با اشاره به اسنادی که ادعا کردند از طریق لپ‌تاپ یک ایرانی به دست آوردند، فخری‌زاده را افسر سپاه و استاد دانشگاه امام حسین(ع) معرفی کردند. به زعم آنان، به اعتقاد سرویس‌های اطلاعاتی غربی، ایران در حال تولید یک کلاهک هسته‌ای با توان نابودسازی هر شهری در خاورمیانه است که مسئول این پروژه محسن فخری‌زاده است.
در همان سال، رسانه‌های غربی ادعا کردند که فخری‌زاده مدیر پروژه ۱۱۱ است که هدف این پروژه، تولید یک کلاهک هسته‌ای با توان انفجار در ارتفاع ۲ هزار فوتی و تخریب یک منطقه وسیع است؛ گرچه هرگز اطلاعات قابل تایید و معتبری درباره فعالیت‌های وی منتشر نشد.
در دولت‌های قبلی تلاش‌های فراوانی برای مصاحبه با وی و سیدعباس شاهمرادی زواره، استاد دانشگاه صنعتی شریف، شد. اسرائیل ادعا کرده بود که یکی از ده‌ها هزار سندی که در سال ۲۰۱۸ از ایران به سرقت رفت، نشان دهنده نقش مهم محسن فخری زاده در برنامه های هسته‌ای ایران است.
بر همین اساس، آن زمان بنیامین نتانیاهو در جریان تشریح عملیات سرقت اسناد اتمی ایران توسط موساد، از فخری‌زاده به عنوان مغز متفکر برنامه هسته‌ای ایران نام برد.همچنین وی تنها دانشمندی بود که نتانیاهو در یک برنامه از او نام برده و رسانه‌های اسرائیلی از شکست نقشه ترور وی در گذشته خبر داده بودند.
عملیات ترور وی در ساعت ۱۴:۳۰ روز ۷ آذر صورت گرفت که طی این عملیات، ابتدا یک دستگاه خودروی نیسان در حین عبور خودروی محسن فخری زاده، خود را منفجر می‌کند و سپس عامل یا عوامل بعدی، اقدام به تیراندازی رگباری می‌کنند. بر اثر این حمله، یکی از محافظان وی مورد اصابت ۴ گلوله قرار گرفت و همچنین خود او بر اثر انفجار و اصابت گلوله با وجود تلاش های فراوان برای احیای او به فیض شهادت نائل شد.
